Kompakte Haus-Energiezentrale ist serienreif / 19.07.2016

Brennstoffzellen-Heizgerät

Montage eines Brennstoffzellenheizgerätes bei Vaillant. ©Vaillant

Neue Brennstoffzellen-Heizgeräte erzeugen als Mini-KWK-Anlagen mit über 90 Prozent Wirkungsgrad Wärme und elektrische Energie. Sie sind durch umfangreiche Tests in Ein- und Zweifamilienhäusern erprobt, Funktion und Design wurden schrittweise verbessert. Erste Anlagen sind regulär auf dem Markt.

Sie lassen sich mit Erdgas sowie mit aus erneuerbaren Energien oder Biomasse erzeugtem Wasserstoff und Methan betreiben. Brennstoffzellen können dezentral und bedarfsgerecht Strom erzeugen und entweder netzentlastend oder netzunabhängig eingesetzt werden.

Forscher des Heizungsherstellers Vaillant entwickelten ein Heizgerät mit Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) zur Serienreife. Zielvorgabe war ein kompaktes Gerät, das einfach zu installieren und zu betreiben ist. Dieses deckt mit einer elektrischen Leistung von 0,7 kW und einer Wärmeleistung von 1,3 kW den Grundbedarf eines Ein- bis Zweifamilienhauses. Für höheren Wärmebedarf ist ein Gas-Brennwert-Heizgerät integriert. Aufgabe der Entwickler war es, die Gesamtanlage kostengünstiger und einfacher herzustellen sowie Qualität und Haltbarkeit von Komponenten zu verbessern.

Entwicklung von der Vorserie zur ausgereiften Anlage

Aufbau des aktuellen Xell-Power Brennstoffzellen-Heizgerätes.

Aufbau des aktuellen XellPower BZ-Heizgeräts: Unten sitzt das Brennstoffzellensystem mit Nebenaggregaten, oben das Gasbrennwert-Zusatzheizgerät. ©Vaillant

Sie optimierten die Brennstoffzellen-Heizgeräte (BZH) schrittweise und testeten diese parallel dazu in Demonstrationsvorhaben wie dem Callux-Projekt. Die dort erfassten Informationen aus über 1 Mio. Betriebsstunden bei Endkunden nutzten sie für die Weiterentwicklung. Inzwischen ist die Technologiereife des SOFC Gerätekonzepts für die Mikro-KWK-Anwendung belegt. Im Laufe der Entwicklung gelang es, die Herstellungskosten zu halbieren. Mit der nun serienreifen Gerätegeneration erreichten die Forscher einen elektrischen Wirkungsgrad der BZH von über 33% sowie einen Gesamtwirkungsgrad bei Nennlast von mehr als 90%. Der gegenüber den Vorgängermodellen höhere Gesamtwirkungsgrad ist durch die kompaktere Bauweise der neuen Hotbox zu erklären, die den Brennstoffzellenstack umschließt.

Bewährte und neue Technik dicht gepackt

Für das serienreife Gerät mussten die verschiedenen Funktionen in einem Gehäuse untergebracht werden. Bei den ersten Geräten war der Platzbedarf für die Installation der Gesamtanlage durch den separaten Aufbau der Komponenten noch recht hoch. Bei der Weiterentwicklung setzten die Forscher soweit möglich auch Standardteile aus anderen Geräten der Firma ein, um Entwicklungsaufwand und Kosten gering zu halten.

Durch den reduzierten Systemaufbau und die Nutzung von Standardkomponenten sinken die Material- und Produktionskosten um über 60%. Gegenüber dem Vorgängermodell halbieren sich Installationsaufwand und Aufstellfläche der Gesamtanlage. Auf dem Weg zur Serienreife mussten die Forscher noch einige Komponenten verbessern bzw. entwickeln. Die deutschen Hersteller sehen eine wesentliche Herausforderung darin, mit dem Start der Serienfertigung die Herstellkosten zu senken. Ziel ist, die BZ-Lebensdauer deutlich über 20.000 Betriebsstunden hinaus in Richtung 60.000 Stunden zu verbessern. Die Preise für BZH-Systeme liegen aktuell im Bereich von 20.000 Euro.

Was eine Brennstoffzelle leistet

Im Durchschnitt produziert eine BZH 3.500 kWh elektrische und 6.500 kWh thermische Energie pro Jahr. Wenn im Winter die von der Brennstoffzelle erzeugte Wärme nicht reicht, sorgt die Zusatzheizung für warme Temperaturen im Haus. Für eine hohe Lebensdauer werden BZH möglichst konstant, ohne viele Ein-Aus-Zyklen betrieben; bei geringem Wärmebedarf im Sommer pausieren sie.

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